近a型TG6钛合金的名义成分为Ti-5.8Al-4Sn-4Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si，具有优异的高温蠕变抗力和疲劳性能，长期耐热温度能达到600℃，主要适用于制造先进航空发动机压气机高压段的轮盘、叶片和机匣等零部件。TG6钛合金成分复杂，合金化程度高，其(a+b)/b相转变温度高达1050℃，a+b两相区的变形温度也高达1010℃。与普通钛合金如TC4、TC11相比，TG6钛合金锻造时变形抗力大，工艺塑性低，另外，和其他近a型钛合金相同，TG6钛合金的显微组织和力学性能对锻造工艺参数（如变形温度、变形量、变形速率、冷却条件）的影响比较敏感^[1]。传统模锻工艺要求的设备吨位大，充填型腔困难，而且工艺参数的精确控制较为困难，获得的钛合金锻件组织和性能均匀性差^[2]；若采用等温模锻工艺，则模具的加热温度高，目前国内尚无在1010℃适用的模具材料^[3]。热模模锻技术是介于等温模锻和普通模锻的一种折中的锻造工艺，其模具加热温度可以略低于坯料的加热温度，因此，降低了对模具材料和加热装置的要求。本试验采用热模模锻技术制造TG6钛合金的盘模锻件，选用K403高温合金作为模具材料和FR5玻璃防护润滑剂作为毛坯的防护润滑剂，并评估了a+b两相区热模模锻工艺、K403模具及FR5润滑工艺生产TG6钛合金盘件的可行性。

 

　　热模模锻工艺的模具加热温度略低于坯料的模锻温度，一方面，可以实现在低应变速率条件下的变形，因此，变形均匀，组织和性能稳定，锻件尺寸精度高，达到与等温锻造相同的效果^[4]；另一方面，又可以因降低对模具材料和加热装置的要求而大大降低总的制造成本。

　　TG6钛合金盘锻件的热模模锻工艺试验在63MN可控应变速率的专用液压机上进行，配备了最高加热温度可达1000℃的模具及其加热装置。该设备可以实现无级调节压力及横梁移动速度，最大压力可达80MN，横梁慢速移动速率可低至0.002~0.01mm/s，控制精度和自动化程度高，可满足等温超塑性变形工艺的要求。

　　TG6钛合金的名义化学成分和实测结果见表1，(a+b)/b相转变温度T_b=1050℃。试验采用的饼环坯尺寸为外径F370mm、内径F200mm、高78mm。

表1  TG6钛合金的名义化学成分和实测结果

Table 1  Nominal chemical composition and test result of TG6 titanium alloy

 

　　根据实际使用经验推算，能够在变形温度下稳定工作的等温锻造模具材料，其屈服强度应该在相应温度下变形材料屈服强度的三倍以上^[5]，TG6钛合金在其模锻温度1010℃和中等应变速率下的变形流变应力低于100MPa，而K403铸造合金在950℃时的屈服强度在400MPa以上^[6]，同时在该温度下具有完全抗氧化能力，可满足TG6钛合金热模模锻工艺的使用要求。K403高温合金采用真空熔模铸造工艺制备，整套模锻模具采用积木式组合结构，通过分块浇铸可实现分块更换，易于维修和制造；采用数控加工和电火花方法加工模具的型腔。

本试验选用FR5玻璃防护润滑剂作为TG6钛合金毛坯的防护润滑剂。

钛合金模锻使用玻璃润滑剂的主要功能是：

(1) 防护性能好，减少在加热和模锻过程中吸H₂和O₂；防止表面污染；

(2) 润滑性能良好，例如，钛合金模锻采用FR5玻璃防护润滑剂润滑，其摩擦系数m＝0.082，而在无玻璃润滑剂润滑的条件下m＝0.35；

(3) 隔热效果好，玻璃润滑剂的热导率只有钛合金的十分之一^[7]，防止毛坯热量的散失。

该润滑剂玻璃料的主要成分为：40~60%SiO₂、1~10%Al₂O₃、20~35%B₂O₃、1~10%CaO、1~10%Na₂O+K₂O、1~10%BaO，载体为水，粘结剂为25%FRS1水溶树脂，使用温度800℃~1000℃，无毒。

毛坯除油污（喷砂或酸碱洗） ® 毛坯预热至100℃左右 ® 涂玻璃润滑剂 ® 干燥 ® 锻造加热

 

　　模具加热温度为950℃，坯料加热温度为1010℃，坯料出炉后迅速转移到模腔内，立即进行模锻。毛坯除在加热前涂上FR5玻璃润滑剂外，在模压前还要在模具上涂上一层由石墨、二硫化钼和机油组成的乳剂，以利于润滑和锻后锻件的脱模。模锻采取分段控制模锻压下速度的方式，即先快后慢，分段递减，起始压下速度为1mm/s，最终压下速度为0.2mm/s，锻件在出模后空冷。TG6盘锻件的轮缘部位厚度为50mm，轮辐部位厚度为30mm，整个锻件的变形量在36%~62%之间。

 

TG6钛合金盘锻件见图1，其锻态径向低倍组织见图2，为模糊晶组织，组织均匀。为了保证TG6钛合金蠕变抗力、疲劳性能和热稳定性的良好匹配，盘锻件采用a+b两相区上部固溶处理（1035℃/1h，AC），并随后采用了高温时效（750℃/2h，AC）的热处理工艺，获得的双态组织中的初生a相含量约为15%，初生a相的尺寸约为20mm，等轴化程度好，b转变组织由间隔细小的a片和b片组成，见图3。

图1  TG6钛合金热模模锻的盘锻件

Fig.1 Hot-die forged compressor discs of TG6 titanium alloy

图2  TG6钛合金盘模锻件径向锻态低倍组织

Fig.2  Radial macrostructure of TG6 titanium alloy disc forging as forged

图3  TG6钛合金盘锻件的显微组织

Fig.3  Microstructure of TG6 high temperature titanium alloy disc forging

 

　　固溶处理和时效的TG6钛合金盘锻件的基本力学性能见表2，其室温拉伸性能、600℃拉伸性能、热稳定性和600℃蠕变性能均达到了技术条件的要求。采用较少初生a相含量的双态组织，不仅可以保证合金具有高的强度、塑性和良好的热稳定性，而且还保证合金具有较高的蠕变抗力，更好地满足先进航空发动机压气机转子部件高温、高压、高载荷的苛刻服役条件的使用要求。

 

表2  TG6钛合金盘锻件双态组织的典型力学性能

Table 2  Typical mechanical properties of TG6 titanium alloy disc forging with bi-modal microstructure

 

　　锻造工艺是影响钛合金力学性能的重要因素之一。对于TG6钛合金而言，为了解决其蠕变抗力与塑性、热稳定性之间的本质矛盾，同时又考虑到锻造工艺在实际条件下的稳定性和可操作性，因此采用了a+b两相区锻造工艺更为合适，通过后续的热处理，获得双态组织而使用，以实现蠕变、塑性和热稳定性的良好匹配。

与传统a+b两相区普通模锻工艺相比，采用a+b两相区热模模锻工艺制造TG6钛合金盘锻件具有如下优势：

(1) 变形载荷小。TG6钛合金a+b两相区变形的流变应力对温度和应变速率的敏感性大，即随着温度的下降和应变速率的增加，变形流变应力急剧增加，热模模锻是在较为恒定的温度和较低的变形速率下进行锻造，因此，可以显著降低变形载荷；同时还可以提高合金的工艺塑性，可以实现较大的允许变形量；

(2) 锻件不易过热。与钢和铝合金相比，钛合金的导热性差^[8]，热模模锻工艺是在较低的变形速率下进行的锻造，变形温升小，而且产生的少量变形热又可以通过坯料与模具的温差而散失，防止了传统锻造工艺因高的变形温升造成锻件内温度分布不均匀或产生过热组织情况的发生；

(3) 热模模锻工艺避免了传统工艺冷模具对坯料表面的激冷作用，变形时锻件表面不易产生裂纹，有利于坯料在模具中的填充，减少变形死区，提高锻件的表面粗糙度，并可实现复杂外形锻件的成型；

(4) 热模模锻工艺可以控制在最佳的热力规范下进行，加工参数可以得到精确控制，提高了锻件组织和力学性能的均匀一致性；

(5) 热模模锻工艺可以实现精密锻造，锻件的精化可以提高材料利用率，减少加工余量，使得热模模锻工艺在经济上更具有竞争力；

(6) K403合金模具的最高加热温度可达1000℃，而本试验采用的K403合金模具的加热温度设定为950℃，在此温度下，K403合金保持了高的屈服强度，同时具有完全的抗氧化能力，不仅可以满足TG6钛合金的热模模锻工艺的要求，而且还可以提高K403合金模具的使用寿命。

(7) 从TG6钛合金盘锻件的成形过程和表面状态可知，FR5玻璃防护润滑剂起到了良好的润滑作用，另外，也减少了合金在高温加热过程中的氧化和转料过程中的温降，很好地满足了TG6钛合金盘锻件热模模锻工艺的要求。

 

（1）采用a+b两相区热模模锻工艺生产的TG6钛合金盘锻件，组织均匀，性能稳定，且均达到了技术条件的要求；

（2）K403铸造高温合金模具可以作为TG6钛合金热模模锻用的模具材料；

（3）FR5玻璃防护润滑剂起到了良好的润滑、防护和隔热的作用，可满足TG6钛合金热模模锻工艺的要求。

 

[1] G. Lűtjering, J. C. Williams. Titanium[M], Springer, 2003

[2] D. J. Smith. Isothermal forging of titanium alloys[J], Light alloy, February 1988, pp.79-81

[3] 李青, 韩雅芳, 肖程波, 宋尽霞. 等温锻造用模具材料的国内外研究发展状况[J], 材料导报, 2004年,第18卷, 第4期, 9-11

[4] David Furrer. Forging aerospace components, Advanced Materials & Processes, 1999, 3, pp.33-36

[5] 李成功，刘建宇. 高技术新材料要览[M]，北京：中国科学技术出版社，1993年，pp.203-205

[6] 中国航空材料手册(第二版)[M]，第2卷 变形高温合金 铸造高温合金，北京：中国标准出版社, 2002, pp.555

[7] 王乐安. 难变形合金锻件生产技术[M], 北京：国防工业出版社, 2005年, pp.46-50

[8] S. R. Seagle, K. O. Yu, S. Giangiordano. Considerations in processing titanium[J], Materials Science and Engineering, A263, 1999, pp.237-242